Pela primeira vez no mundo, uma equipe co-liderada por um físico da Universidade da Cidade de Hong Kong (CityU) descobriu que os excitons – elétrons excitados ligados a “buracos” de elétrons vazios – podem existir de forma estável e viajar rapidamente através do metal. Como os excitons podem ser gerados pela energia da luz e não têm carga elétrica, essa descoberta os torna candidatos potenciais como uma alternativa de alta velocidade aos elétrons livres como portadores de informações digitais.
Os excitons se formam quando certos materiais absorvem energia da luz para excitar elétrons, as partículas carregadas negativamente nos átomos. Os elétrons são impulsionados para um nível de energia mais alto para deixar espaços ou "buracos" carregados positivamente em sua posição original. Devido à atração eletrostática, um buraco e um elétron excitado podem emparelhar sem se recombinar, formando um éxciton que se comporta como uma partícula não carregada (Fig. 1).

"Quando o elétron de um éxciton se recombina com um buraco, a energia é emitida como luz, que pode ser aproveitada para transferência de dados na indústria optoeletrônica", diz o co-líder da equipe, Dr. Ma Junzhang, professor assistente do Departamento de Física da CityU. "Excitons seriam melhores portadores de dados do que elétrons livres, cuja carga negativa os retarda, mas os excitons são muito instáveis, especialmente em metais. De fato, antes de nosso estudo, excitons estáveis ​​e móveis eram considerados impossíveis em metais."

Os pesquisadores conseguiram gerar e detectar excitons em metal devido a uma combinação de condições ideais de teste e características únicas de seu material escolhido, triseleneto de tântalo, TaSe₃ . A pesquisa foi liderada pela CityU e pelo Paul Scherrer Institute (PSI) na Suíça, e os resultados foram publicados em Nature Materials em um artigo intitulado "Vários excitons móveis manifestados como bandas laterais em TaSe metálico quasi-one-dimensional₃ Os autores correspondentes do artigo foram o Dr. Ma Junzhang, o Professor Shi Ming e o Dr. Markus Müller do PSI. Colaboradores incluíram pesquisadores da Rutgers University, Princeton University, Stanford University e outras instituições.

Importância dos excitons como portadores de informações robustos

Espera-se que o exciton desempenhe um papel importante no futuro da transmissão de informações, graças à sua neutralidade de carga e capacidade de se mover através de um sólido. Ao contrário dos elétrons livres carregados negativamente, os excitons não são impedidos por campos elétricos externos, campos magnéticos e defeitos no material circundante.

"Excitons são portadores de informações potencialmente mais robustos e eficientes do que elétrons livres condutores, que transmitem nossas informações hoje", diz o Dr. Ma. "Mesmo que os excitons tenham sido encontrados em semicondutores e tenham sido usados ​​para projetar transistores de efeito de campo, fototransistores, diodos emissores de luz e células solares em laboratório, quase todos os excitons observados experimentalmente se movem muito lentamente, limitando muito sua eficiência na transferência de informações. ."

Mais importante ainda, os excitons permaneceram indescritíveis em metais. Eles raramente são relatados para metais devido à abundância de elétrons condutores livres. Esses elétrons livres amortecem a atração entre qualquer buraco singular e elétron (conhecido como blindagem), suprimindo assim a formação de excitons. Quaisquer excitons que são capazes de se formar em metais são muito instáveis ​​para uso prático e até observação experimental.

Experimentos ópticos convencionais para detectar excitons também têm severas limitações técnicas.

Mas agora, usando uma técnica poderosa e sensível chamada espectroscopia de fotoemissão de resolução angular (ou ARPES) para analisar a estrutura de banda eletrônica em um sólido cristalino com propriedades especiais (TaSe₃ ), a equipe CityU e PSI fizeram um grande avanço no estudo de excitons em metais. Ou seja, eles descobriram a existência de excitons robustos viajando em alta velocidade através de um metal.

Design experimental

Em sua busca para encontrar excitons estáveis ​​em metais, a equipe de pesquisa se voltou para o composto metálico TaSe₃ por sua baixa densidade de elétrons livres condutores e, portanto, pobre efeito de triagem, para maximizar a chance de formação de excitons. Além disso, TaSe₃ consiste em camadas empilhadas de cadeias triangulares paralelas de prismas de selênio envolvendo átomos de metal de tântalo (Fig. 2). Assim, ele se comporta como um metal unidimensional, permitindo que os excitons viajem ao longo de um caminho reto específico, porque as cadeias unidimensionais são como trilhos de trem de alta velocidade.

A equipe previu que a chamada quase unidimensionalidade de TaSe₃ aumentaria a atração entre os elétrons e buracos dentro dos excitons, mas poderia permitir que os dois componentes carregados estivessem em diferentes camadas e cadeias. Dessa forma, os buracos e os elétrons seriam separados uns dos outros e não se misturariam, evitando assim a aniquilação dos excitons e prolongando sua vida útil.

Ao usar o ARPES, os pesquisadores registraram sistematicamente a estrutura eletrônica do TaSe₃ . O instrumento lançou um feixe estreito de luz de alta energia na amostra para excitar os elétrons para que eles escapassem para o vácuo, enquanto ativava os excitons no TaSe₃ (Fig. 3). O equipamento ARPES analisou os ângulos e a energia dos elétrons escapados para revelar informações sobre a presença, estrutura e movimento dos excitons.

Novo modelo teórico de excitons móveis

Depois de descartar outros mecanismos plausíveis, a equipe concluiu que todos os fenômenos observados em seus experimentos ARPES poderiam ser bem explicados pela presença de vários subtipos estáveis ​​de excitons móveis movendo-se em alta velocidade ao longo de uma dimensão. O Dr. Müller, em colaboração com o físico teórico Professor Christopher Mudry da PSI, desenvolveu então um modelo teórico completo de excitons móveis em metais unidimensionais. O modelo teórico demonstrou boa concordância com os resultados dos experimentos.

Uma característica importante do modelo é uma explicação para os múltiplos subtipos de excitons detectados (Fig. 4). A equipe concluiu que os excitons em TaSe₃ possuem pelo menos três estruturas internas diferentes dependendo de duas variáveis. A primeira variável é se um buraco se liga a um elétron (formando um éxciton) ou dois elétrons (formando um trion). A segunda variável é se os buracos e elétrons pertencem e viajam ao longo do mesmo TaSe₃ cadeia (resultando em excitons intracadeias) ou cadeias vizinhas (resultando em excitons intercadeias e trions intercadeias).

As descobertas são significativas, pois se pensava anteriormente que excitons estáveis ​​não poderiam existir dentro de metais. O estudo também demonstrou pela primeira vez que os excitons podem se mover rapidamente dentro de um metal ao longo de uma direção específica, o que na prática aumentaria a eficiência da transferência de dados. Além disso, a equipe demonstrou experimentalmente que certas propriedades do exciton no TaSe₃ pode ser manipulado e controlado por modificação de superfície (doping de elétrons) com vapor de potássio.

As descobertas e o novo modelo teórico não apenas fornecem um roteiro para o estudo mais aprofundado de excitons, especialmente em metais, mas também promovem sua aplicação como portadores de informações de alta velocidade em dispositivos condutores no futuro.

"Nosso trabalho agora abre caminho para a geração de excitons móveis de alta velocidade, mas ajustáveis ​​em metais", diz o Dr. Ma. “Este novo campo e direção avançarão na pesquisa e desenvolvimento em dispositivos de computação e comunicação que transmitem informações optoeletrônicas”. + Explorar mais

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